Praktisk og teoretisk evaluering av regenerativ gassturbinsyklus med ekstern forbrenning

Abstract

Denne oppgaven tar for seg en praktisk og teoretisk tilnærming for å benytte biomasse som energikilde i en gassturbinsyklus. I en verden med et eksponentialt økende energibehov er det stadig viktigere at vi utforsker muligheten til å benytte oss av alle fornybare energikilder som en har tilgjengelig. Løsningen som evalueres er en regenerativ gassturbinsyklus med eksternt brennkammer som muliggjør forbrenning av biomasse i en gassturbinsyklus. Oppgaven har to hovedmål: - Restaurere og videreutvikle en selvbygd prototyp - Utvikle et simuleringsprogram for gassturbinsykluser for å evaluere løsningen

Prototypen består av et selvkonstruert brennkammer og roterende varmeveksler tilkoblet en turbo brukt som en lavtrykks radial-gassturbin. Prototypen ble restaurert og det ble konstruert to nye brennkammer for propan, samt en 750W direktekoblet generatormodul for testing av elektrisk virkningsgrad med et tilhørende forsøksopplegg. Testingen ble igangsatt men ikke fullført på grunn av problemer med turbinmodulen og brennkammer. Gassturbinen mistet oljetrykket og påfølgende lagerslitasje førte til store vibrasjoner som ville forårsaket skader på andre komponenter hvis forsøket hadde fortsatt. I tillegg ble det avdekket en feildimensjonering av brennkammeret. Simuleringsprogrammet ble utviklet «langsgående» med det praktiske arbeidet, men ble ikke ferdigstilt før arbeidet med prototypen var over. Ettersom forsøket med prototypen ikke lot seg fullføre ble den teoretiske evalueringen av syklusen basert på et innsamlet datasett for en Capstone C30 regenerativ mikroturbin. Programmet ble også brukt til å finne problematiske elementer ved prototypen. Det blir estimert at en Capstone C30 konfigurert for ekstern forbrenning kan gi mellom 20.5-22.7% elektrisk virkningsgrad med 26-30kw elektrisk effekt levert avhengig av tapene i syklusen. Et slikt system vil ha en produksjonspris på hhv 153 øre/kWh ved forbrenning av pellets, 97 øre/kWh ved forbrenning av flis og -38 øre/kWh ved forbrenning av restavfall. I pris-utregningene er det ikke tatt hensyn til at eksosvarmen kan levere 74 kW til vannbåren varme gjennom et CHP annlegg, som vil redusere energikostnaden ytterligere.

This thesis presents a practical and theoretical approach for using biomass as an energy source in a gas turbine cycle. In a world with exponentially growing energy-requirements, it is increasingly important that we explore the possibility to take advantage of all renewable energy sources available. The solution being evaluated is a regenerative gas turbine cycle with an external combustion chamber, enabling the combustion of biomass in a gas turbine cycle. The thesis has two main goals: - Restore and further develop a self-built prototype - Develop a simulation program for gas turbine cycles to evaluate our solution The prototype consists of a self-constructed combustion chamber and rotary heat exchanger connected to a turbo used as a low pressure radial gas-turbine. The prototype was restored and it was constructed two new combustion chambers for propane, and a 750W generator module for testing electrical efficiency with a corresponding experimental procedure. Testing was initiated but not completed due to problems with the turbine module and combustion chamber. The gas turbine lost oil pressure and subsequent bearing wear led to major vibrations that would have caused damage to other components if the experiment had continued. In addition, it was discovered a miscalculation in the dimensioning of the combustion chamber. The simulation program was developed along with the practical work, but was not completed before work on the prototype was finished. Since the experiment with the prototype could not be completed, the theoretical evaluation of the cycle based on a collected data set for a Capstone C30 regenerative micro turbine. The program was also used to find the problematic elements of the prototype. It is estimated that a Capstone C30 configured for external combustion yield between 20.5 to 22.7% electrical efficiency, with 26-30kw electric power supplied depending on the losses in the cycle. Such a system will have a production cost respectively 18,7 cents / kWh by combustion of pellets, 11.9 cents / kWh by burning wood chips and -4,7 cents / kWh by incineration of garbage. Price calculations are not taking into account that the exhaust heat can deliver 74 kW through hot water in a CHP configuration, which will further reduce the costs of produced energy.